לייזר אולטרה-מהיר ייחודי חלק שני

ייחודילייזר מהיר במיוחדחלק שני

פיזור ופיזור דופק: עיכוב פיזור קבוצתי
אחד האתגרים הטכניים הקשים ביותר שנתקלים בהם בעת שימוש בלייזרים מהירים במיוחד הוא שמירה על משך הפולסים האולטרה-קצרים הנפלטים בתחילה על ידילייזר. פולסים מהירים מאוד רגישים לעיוות זמן, מה שמאריך את הפולסים. השפעה זו מחמירה ככל שמשך הדופק הראשוני מתקצר. בעוד שלייזרים מהירים במיוחד יכולים לפלוט פולסים באורך של 50 שניות, ניתן להגביר אותם בזמן באמצעות מראות ועדשות להעברת הדופק למקום היעד, או אפילו פשוט להעביר את הדופק באוויר.

עיוות זמן זה מכמת באמצעות מדד הנקרא פיזור מושהה (GDD), הידוע גם בשם פיזור מסדר שני. למעשה, ישנם גם מונחי פיזור מסדר גבוה יותר שעשויים להשפיע על התפלגות הזמן של פולסים אולטרה-פרט-לייזר, אבל בפועל, זה בדרך כלל מספיק רק כדי לבחון את השפעת ה-GDD. GDD הוא ערך תלוי תדר שהוא פרופורציונלי ליניארי לעובי של חומר נתון. לאופטיקת שידור כגון עדשה, חלון ורכיבי אובייקטיבי יש בדרך כלל ערכי GDD חיוביים, מה שמצביע על כך שברגע שפולסים דחוסים יכולים להעניק לאופטיקה של השידור משך פולס ארוך יותר מאלה הנפלטים על ידימערכות לייזר. רכיבים בעלי תדרים נמוכים יותר (כלומר אורכי גל ארוכים יותר) מתפשטים מהר יותר מרכיבים בעלי תדרים גבוהים יותר (כלומר אורכי גל קצרים יותר). ככל שהפולס יעבור דרך עוד ועוד חומר, אורך הגל בפולס ימשיך להתרחב עוד ועוד בזמן. עבור משכי פולסים קצרים יותר, ולכן רוחבי פס רחבים יותר, השפעה זו מוגזמת עוד יותר ויכולה לגרום לעיוות משמעותי בזמן הדופק.

יישומי לייזר מהירים במיוחד
ספקטרוסקופיה
מאז הופעת מקורות הלייזר האולטרה-מהירים, ספקטרוסקופיה הייתה אחד מאזורי היישום העיקריים שלהם. על ידי הפחתת משך הדופק לפמטו-שניות או אפילו לאטו-שניות, ניתן כעת להשיג תהליכים דינמיים בפיזיקה, כימיה וביולוגיה, אשר היסטורית בלתי אפשרי היה לצפות בהם. אחד התהליכים המרכזיים הוא תנועה אטומית, וההתבוננות בתנועה האטומית שיפרה את ההבנה המדעית של תהליכים בסיסיים כמו רטט מולקולרי, ניתוק מולקולרי והעברת אנרגיה בחלבונים פוטוסינתטיים.

הדמיה ביולוגית
לייזרים מהירים במיוחד בעוצמה שיא תומכים בתהליכים לא ליניאריים ומשפרים רזולוציה עבור הדמיה ביולוגית, כגון מיקרוסקופיה רב-פוטונים. במערכת רב-פוטונים, על מנת ליצור אות לא ליניארי ממדיום ביולוגי או מטרה ניאון, שני פוטונים חייבים לחפוף במרחב ובזמן. מנגנון לא ליניארי זה משפר את רזולוציית ההדמיה על ידי הפחתה משמעותית של אותות הקרינה ברקע הפוגעים במחקרים של תהליכי פוטון בודד. רקע האות הפשוט מודגם. אזור העירור הקטן יותר של המיקרוסקופ הרב-פוטוני מונע גם פוטו-רעילות וממזער את הנזק לדגימה.

איור 1: תרשים דוגמה של נתיב קרן בניסוי מיקרוסקופ רב-פוטונים

עיבוד חומרים בלייזר
מקורות לייזר אולטרה-מהירים חוללו גם מהפכה במיקרו-עיבוד לייזר ועיבוד חומרים בשל הדרך הייחודית שבה פולסים אולטרה-קצרים מקיימים אינטראקציה עם חומרים. כפי שהוזכר קודם לכן, כאשר דנים ב-LDT, משך הפולס האולטרה-מהיר מהיר יותר מסולם הזמן של פיזור חום לתוך הסריג של החומר. לייזרים מהירים במיוחד מייצרים אזור מושפע חום קטן בהרבה מאשרלייזרים דופקים של ננו-שנייה, וכתוצאה מכך הפסדי חתך נמוכים יותר ועיבוד עיבוד מדויק יותר. עיקרון זה חל גם על יישומים רפואיים, שבהם הדיוק המוגבר של חיתוך אולטרה-פרט-לייזר מסייע בהפחתת הנזק לרקמות הסובבות ומשפר את חווית המטופל במהלך ניתוח לייזר.

פולסים של Attosecond: העתיד של לייזרים מהירים במיוחד
ככל שהמחקר ממשיך לקדם לייזרים מהירים במיוחד, מתפתחים מקורות אור חדשים ומשופרים עם משכי פולסים קצרים יותר. כדי לקבל תובנה לגבי תהליכים פיזיקליים מהירים יותר, חוקרים רבים מתמקדים ביצירת פולסים אטושניים - בערך 10-18 שניות בטווח אורך הגל האולטרה סגול (XUV) הקיצוני. פולסים של Attosecond מאפשרים מעקב אחר תנועת אלקטרונים ומשפרים את ההבנה שלנו לגבי מבנה אלקטרוני ומכניקת קוונטים. בעוד שהשילוב של לייזרים XUV attosecond בתהליכים תעשייתיים עדיין לא התקדם משמעותית, מחקר והתקדמות מתמשכת בתחום ידחקו כמעט בוודאות את הטכנולוגיה הזו אל מחוץ למעבדה ולייצור, כפי שהיה במקרה של femtosecond ו- picosecondמקורות לייזר.